祝雁輝 王首軍

(濟寧學(xué)院 產(chǎn)業(yè)學(xué)院，山東 曲阜 273155)

伴隨著移動互聯(lián)科技時代的進步，工程教育領(lǐng)域相繼出現(xiàn)了工程教育專業(yè)認證、新工科、OBE理念(Outcomes-based Education)、NEET(New Engineering Education Transformation)、卓越、精品課程、國家一流課程、省級一流課程、混合式教學(xué)、研究型教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等一系列熱門概念[1]241-242。教育領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化，優(yōu)質(zhì)教育資源逐漸普及化，教育部在“十二五”期間建設(shè)4000門國家級精品開放課程，課程的完整教學(xué)周期的授課錄像、教學(xué)課件、測驗題資源、實驗配套等已在2015年于“愛課程”網(wǎng)站免費上線。在“十三五”期間延伸至2022年建設(shè)4000門精品慕課，此時國家級在線共享課及慕課共8000門。截止2020年12月，中國各個平臺上運行的慕課總量已超過3.4萬門。教育部要求全面開展一流本科課程建設(shè)，于2022年完成一流本科課程“雙萬計劃”。2017年初教育部高教司組織的復(fù)旦會議提出了針對工程教育未來發(fā)展的新工科建設(shè)理念，同時在新經(jīng)濟的發(fā)展推動下，創(chuàng)新型企業(yè)正在異軍突起，制造業(yè)智能化的趨勢方興未艾，裝備的智能化升級、智能工廠的興起已經(jīng)成為制造業(yè)升級的重要趨勢。

教育部牽頭組織開展的相關(guān)工程教育專業(yè)認證[2]23-26和新工科建設(shè)等研討會[3]98-100，相繼出臺了一系列新工科建設(shè)理念、工程教育專業(yè)認證理念等相關(guān)文件[4]193-395，不僅對工科院校提出建設(shè)要求，還對各個課程建設(shè)指明了方向。針對《機械原理》本科課程改革建設(shè)，從學(xué)生與教師的轉(zhuǎn)變、課程目標重定、混合式教學(xué)策略分析及教學(xué)評價等方面進行了探索和實踐。

一、移動互聯(lián)時代學(xué)生和教師的轉(zhuǎn)變

(一)學(xué)習(xí)現(xiàn)狀

身處互聯(lián)網(wǎng)+時代，智能手機、平板、騰訊QQ、微信等移動工具高校教師感同身受，學(xué)生也親身經(jīng)歷其中，其學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)方式都在發(fā)生變化。首先，在學(xué)習(xí)習(xí)慣方面，“抖音”“快手”“小紅書”“嗶哩嗶哩”這些短視頻平臺的出現(xiàn)，一定程度上開闊了學(xué)生視野，學(xué)習(xí)中遇到的疑點，上網(wǎng)搜索能夠解決；但通過此方式獲取的知識高度碎片化，與人類的基本認知規(guī)律相悖，不能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績及學(xué)習(xí)能力。其次，在學(xué)習(xí)態(tài)度方面，00后學(xué)生與90后、80后的學(xué)習(xí)觀念截然不同，學(xué)生的價值取向多元化，追求全面發(fā)展；部分學(xué)生努力學(xué)習(xí)文化課程爭取第一，部分學(xué)生積極參加社團組織的各項活動，部分學(xué)生積極參加學(xué)院創(chuàng)新實驗室，參加國家級和省級機電產(chǎn)品創(chuàng)新等大賽，少部分學(xué)生大學(xué)期間創(chuàng)業(yè)等等。再次，在學(xué)習(xí)方式方面，學(xué)生信息來源豐富化，知乎、百度百科、維基百科、慕課等均可搜索到優(yōu)質(zhì)教育信息，學(xué)生獲取知識的能力和意愿顯著增強，即使身處休閑運動場所，也可通過智能手機或者平板電腦利用在線資源學(xué)習(xí)新知識。

(二)教師面臨的挑戰(zhàn)

針對學(xué)生在上述三方面的變化，教師面臨巨大挑戰(zhàn)，在保證課程質(zhì)量的前提下，課程的講授方法、手段、課程設(shè)計、課程考核及教學(xué)評價等方面既要滿足少數(shù)高精尖學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，又要兼顧學(xué)習(xí)成績中等及以下學(xué)生的需求。教師必須采取有效的應(yīng)對措施，其中之一是提升自身專業(yè)素養(yǎng)，用高水平科研經(jīng)驗和成果反哺教學(xué)，在課堂中講授出慕課或資源共享課中沒有的內(nèi)容，但在大多數(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中很難做出突破。只有在課程中不斷發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)瓶頸，引導(dǎo)學(xué)生獨立分析、思考并對知識有所感悟提升，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)困惑，秉承以學(xué)生為中心的教育理念，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，開展針對性的教學(xué)，讓學(xué)生對課堂充滿期待。在學(xué)生學(xué)習(xí)什么、怎樣學(xué)習(xí)上下功夫，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)、人際交往、動手實踐、發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新等能力，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維、系統(tǒng)性思維、評判性思維、分析性思維、計算性思維、實驗性思維、工程性思維、人本主義思維等，進而培養(yǎng)出基礎(chǔ)扎實、超越現(xiàn)實，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)界和社會發(fā)展的大學(xué)生。

(三)改革勢在必行

機械原理是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的核心主干課之一。從全國范圍內(nèi)來看，發(fā)展參差不齊，在相當(dāng)部分高校中，課程的教學(xué)模式停留在20年前的水平。積極參與專業(yè)認證的高校中，機械原理課程因其特殊的地位往往成為認證專家重點考察的課程，查閱教學(xué)大綱、培養(yǎng)方案、考查試卷、課程設(shè)計等均是必要環(huán)節(jié)。山東省內(nèi)4所高校機械工程專業(yè)認證通過，借鑒相關(guān)經(jīng)驗，從提交專業(yè)認證申請到審核通過，關(guān)乎到專業(yè)建設(shè)閉環(huán)的每個環(huán)節(jié)，需要切實結(jié)合各自學(xué)校專業(yè)發(fā)展特色，對照認證標準及申請指南，提煉切合本校的認證方案進行整改。由Spady于1981年提出的以學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果為驅(qū)動的導(dǎo)向教育，不僅是工程教育專業(yè)認證的核心理念之一，而且是指引各類課程建設(shè)的風(fēng)向標。該課程在以往建設(shè)過程中沒有將OBE理念深入滲透到課程教學(xué)每個環(huán)節(jié)，要達到新工科建設(shè)及工程教育認證標準，還有更艱巨的工作有待開展，因此以O(shè)BE為理念基于雨課堂的機械原理混合式教學(xué)課程改革勢在必行。

二、明確課程目標

我國科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，大力進行自主創(chuàng)新，為機械行業(yè)帶來了空前的發(fā)展機遇。任何機械系統(tǒng)的發(fā)展離不開機構(gòu)的創(chuàng)新，該課程以機構(gòu)為主要載體，主要研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、運動分析、動力學(xué)分析、平衡、效率及常用機構(gòu)。例如連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)及齒輪機構(gòu)的類型、功能、特點、應(yīng)用及設(shè)計方法，從而進行機械系統(tǒng)總體方案設(shè)計、執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計、傳動系統(tǒng)方案設(shè)計和原動機選擇等。課程教材選用高等教育出版社孫桓主編《機械原理》(第八版)，主講內(nèi)容共十二章，前七章主要講授機構(gòu)的共性問題，后五章主要講授常用機構(gòu)的應(yīng)用設(shè)計及機械系統(tǒng)設(shè)計方案。

表 1 課程目標

本課程以高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、計算機控制技術(shù)、機械制圖、材料力學(xué)等課程為先修基礎(chǔ)，后續(xù)課程為機械設(shè)計和機械基礎(chǔ)綜合設(shè)計，在人才培養(yǎng)的過程中起到承上啟下的重要接口作用，旨在培養(yǎng)學(xué)生的機構(gòu)運動設(shè)計、機械動力設(shè)計和機械系統(tǒng)方案設(shè)計能力。以機構(gòu)的運動設(shè)計、機械的動力設(shè)計和機械系統(tǒng)方案設(shè)計的基本知識為載體，培養(yǎng)學(xué)生機械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計的思維方式和方法及自主學(xué)習(xí)的能力，從而達到提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力、創(chuàng)新設(shè)計能力和工程實踐能力的目的。通過學(xué)習(xí)機械原理，學(xué)生可以獲得的技術(shù)能力有：基礎(chǔ)知識應(yīng)用能力，例如數(shù)學(xué)與自然科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科知識應(yīng)用；工程實踐實驗?zāi)芰Γ霉こ趟季S解決工程問題、同時強調(diào)動手實踐實驗、團結(jié)協(xié)作、自主學(xué)習(xí)及獨立思考與判斷的能力；方案設(shè)計設(shè)計，強調(diào)技術(shù)創(chuàng)新，思維創(chuàng)新；綜合運用多學(xué)科理論、各種技術(shù)和現(xiàn)代工具使用，例如標準、文獻、工程軟件等；研究開發(fā)能進行機械系統(tǒng)設(shè)計能力(含科研思維與科學(xué)素養(yǎng))。根據(jù)以上分析課程目標定義如表1所示。

表 2 課程目標、教學(xué)環(huán)節(jié)對畢業(yè)要求的支撐

以學(xué)生學(xué)到什么為前提和準則，學(xué)生從學(xué)科知識的學(xué)習(xí)到熟練應(yīng)用，針對工程現(xiàn)象問題能有效地提出解決方法，并獨立思考與判斷。教師圍繞課程目標達成進行合理有效的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計，課程目標體系與教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計支撐機械專業(yè)畢業(yè)要求如表2所示。

三、基于雨課堂混合式教學(xué)

課程改革是對課程內(nèi)涵與外延的重構(gòu)?！半p一流”高校的教學(xué)過程通過在線課程解決課程共性教學(xué)，用微課和理論課堂講授解決特色教學(xué)[5]234。針對同等水平應(yīng)用型普通本科院校的學(xué)情，學(xué)生各科基礎(chǔ)與“雙一流”高校比較相對薄弱，校內(nèi)在線課程未建設(shè)完善，采用各類教學(xué)方式，如課堂教學(xué)、信息化教學(xué)、現(xiàn)場教學(xué)、實驗課、項目訓(xùn)練、習(xí)題課、討論課、自主學(xué)習(xí)等。在每次理論課堂的伊始，以小練習(xí)作為導(dǎo)入兼顧舊知識點，經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)學(xué)生作答情況一般，教師把精心制作的課件通過各種途徑方法講授清楚，但學(xué)生學(xué)習(xí)成效達不到預(yù)期的效果。其中信息化教學(xué)利用雨課堂平臺，這是清華大學(xué)與學(xué)堂在線推出的一款高效便捷的智慧教學(xué)工具[6]72，該工具與手機微信、PPT相融合，將課程教學(xué)環(huán)節(jié)的每一項任務(wù)及相關(guān)課件推送到學(xué)生的手機上，學(xué)生按時完成，科學(xué)地覆蓋了課前、課上及課后三模塊；針對每一模塊均有后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計，教師能夠及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況及學(xué)習(xí)效果，為教師與學(xué)生的溝通互動提供了便攜途徑，受到廣大高校的青睞與使用。以學(xué)生學(xué)習(xí)目標為中心、以學(xué)習(xí)成效為中心、以學(xué)習(xí)需求為中心，理論內(nèi)容和實驗、仿真實踐課均利用雨課堂開展混合式教學(xué)，策略如下。

(一)課前預(yù)習(xí)

重新制作課前預(yù)習(xí)課件。優(yōu)先選用愛課程平臺，其中大量“雙一流”高校精品在線課程免費觀看，推薦機械原理名師慕課引導(dǎo)學(xué)生進行課前預(yù)習(xí)。借助嗶哩嗶哩、優(yōu)酷、騰訊等視頻網(wǎng)站，下載視頻資源或者制作仿真動畫，在預(yù)習(xí)課件中設(shè)置相關(guān)視頻鏈接；同時在課件中添加練習(xí)題，以填空題選擇題為主上傳至雨課堂，發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，預(yù)習(xí)完成情況可在預(yù)習(xí)反饋報告中看到。例如全部學(xué)生線上預(yù)習(xí)觀看課件的時長、觀看的課件頁數(shù)、學(xué)習(xí)時間分布、作答測驗題的得分情況，教師均可在詳細數(shù)據(jù)中看到統(tǒng)計情況，預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)作為平時成績的評價依據(jù)之一。預(yù)習(xí)情況后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計如此精細，從中看出學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度完全不同，部分學(xué)生利用較長時間預(yù)習(xí)，并提出問題等待教師回復(fù)，部分學(xué)生未預(yù)習(xí)。預(yù)習(xí)情況和期末成績成正相關(guān)。

(二)課堂講授

課上環(huán)節(jié)主要以理論講授為主，采用信息化教學(xué)方式，圍繞相關(guān)案例系統(tǒng)地設(shè)計教學(xué)課件，配合基礎(chǔ)知識點，添加簡單程度的測試題。依據(jù)預(yù)習(xí)效果及課前反饋著重講授重點難點部分，為保障課堂效率，使學(xué)生充分理解相關(guān)知識點，推送練習(xí)題。此類題型以考察基礎(chǔ)知識掌握情況為設(shè)計目的，題型主要是選擇題，在有限的時間內(nèi)作答，收題，通過后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計正確率，教師及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)瓶頸；跟隨課堂知識點的講述進度教師發(fā)起提問，學(xué)生發(fā)送彈幕回答問題，也可將疑問及反饋發(fā)送至彈幕中，此種課堂設(shè)計方式不僅能有效實現(xiàn)師生交流互動，還帶動全班的學(xué)習(xí)氛圍，提高學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生分享感悟，是其它在線課程不能媲美的。線上教學(xué)資源盡管可以發(fā)送問題，但慕課名師團隊回復(fù)需要等待一段時間。因此，利用雨課堂的課堂教學(xué)可及時為學(xué)生解決困惑，更有利于教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，為師生互動提供了便利條件，有效提高了學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率。

(三)課堂內(nèi)容的減法

做好線下教學(xué)與線上學(xué)習(xí)的教學(xué)融合，協(xié)調(diào)課程資源、平臺和方法，提高教學(xué)質(zhì)量，突出教學(xué)特色，實現(xiàn)混合式教學(xué)。原來的課堂教學(xué)設(shè)計流程如圖1所示。通過導(dǎo)入案例引出新知識點1、2、3，同時穿插2、3的推廣應(yīng)用，最后總結(jié)本節(jié)課程主要知識點，反饋已解決案例中提出的問題，最后總結(jié)及引申。為了探索混合式教學(xué)方法，授課內(nèi)容勢必要縮減，但課堂教學(xué)效果做加法。縮減流程如圖2所示。

圖 1 課堂教學(xué)流程1

圖 2 課堂教學(xué)流程2

教師于課前將課堂知識點以發(fā)現(xiàn)問題、找出導(dǎo)入點、學(xué)生分享心得、解答疑惑的順序設(shè)計好，抽絲剝繭，由表及里，將導(dǎo)入、推廣應(yīng)用、總結(jié)部分放到課下。學(xué)生依據(jù)雨課堂任務(wù)發(fā)布進行課前預(yù)習(xí)時，通過做預(yù)習(xí)題即可發(fā)現(xiàn)疑問，課堂中重點講授知識點，課下及時總結(jié)知識點及作相關(guān)練習(xí)題加以鞏固，同時觀看教師在雨課堂平臺上關(guān)于相關(guān)知識點的推廣應(yīng)用案例，加深理解。

以第八章內(nèi)容連桿機構(gòu)第1學(xué)時為例，課前將連桿機構(gòu)在古今生活、工業(yè)工程中的應(yīng)用案例、連桿機構(gòu)基本類型和演化類型的案例及慕課視頻鏈接上傳至雨課堂，學(xué)生通過預(yù)習(xí)總結(jié)連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用，同時感受大國工匠精神，科技在機構(gòu)中運轉(zhuǎn)，機構(gòu)不僅承載著輝煌的千年歷史，承載著科技傳承的民族精神。課上教師主要講授連桿機構(gòu)的優(yōu)缺點、演化類型的演化方法及曲柄存在的條件，主要講授大約30分鐘，余下時間用于課堂隨堂測驗、發(fā)送彈幕分享感悟，教師解答疑問。課后，教師將課堂總結(jié)及連桿相關(guān)知識點推廣知識上傳至雨課堂，可看到雨課堂課后總結(jié)反饋情況。通過此種教學(xué)設(shè)計，教師能夠獲取每個學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)情況，學(xué)生用彈幕回答問題的情況，學(xué)生對課堂PPT的反饋情況，每頁中有哪些不懂，每位學(xué)生對每道練習(xí)題回答情況，同樣可獲得課堂反饋報告。

(四)線上線下教學(xué)融合的節(jié)奏

為使學(xué)生對課程保持新鮮感，全身心投入到學(xué)習(xí)中，課堂教學(xué)內(nèi)容和線上學(xué)習(xí)內(nèi)容相互支撐與補充。整個學(xué)期教學(xué)課堂中利用雨課堂推送大約100道練習(xí)題，占到期末總成績的5%，有利于學(xué)生課上集中精力，提高課堂效率，保持危機意識。課堂中每道練習(xí)題結(jié)束后立即展示全班作答情況，讓學(xué)生看到得分情況，課堂內(nèi)每一分鐘都保持緊張感。為了保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，多數(shù)學(xué)生獲得成就感，課上推送題目比課后作業(yè)相對簡單，得分率較高。對于難度適中的題目回答正確額外加分，并推送到全班學(xué)生手機上，讓部分學(xué)生獲得榮譽感，以此激勵其他學(xué)生。

四、教學(xué)評價

教學(xué)評價主要包含考核與評價兩項內(nèi)容。有效的課程考核越來越強調(diào)相對完整、形式多樣的過程考核，以促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)。完善的課程評價則要求學(xué)生和教師能定期評價學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果，特別是針對教學(xué)目標達成進行評價。評價過程融合知識、情感及能力相關(guān)評價?？己朔绞街饕善綍r成績、期末考試、課程設(shè)計、實驗、虛擬仿真實驗四部分組成。其中平時成績占比5%、期末考試占比60%，課程設(shè)計占比20%，虛擬仿真占10%，實驗占比5%。評價方式，主要圍繞課程目標、畢業(yè)要求目標進行，對各教學(xué)目標評價方式如表3所示。其中，每一項都有評價標準。

表 3 各教學(xué)目標的評價方式

平時成績模塊，包括課前預(yù)習(xí)統(tǒng)計情況，課堂中隨堂練習(xí)統(tǒng)計情況，課后雨課堂總結(jié)三部分。課程設(shè)計模塊，可選擇教師指定題目，或者自擬題目班級分組，時間安排在教學(xué)學(xué)期的第八周以后，持續(xù)八周的時間，其中最后一周提交設(shè)計報告、答辯PPT、相關(guān)仿真動畫視頻，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃或其他科創(chuàng)比賽，有經(jīng)費支持的小組可提供實物樣機模型，促使學(xué)生踴躍報名參加本校創(chuàng)新實驗室，通過參賽培養(yǎng)創(chuàng)新能力、應(yīng)用能力及團結(jié)協(xié)作能力。課程設(shè)計評價標準分為五檔如下：一檔18—20分：有明顯創(chuàng)新、功能性模型樣機、文檔完整、答辯效果好。二檔15—18分：有創(chuàng)新、功能性模型樣機、文檔較完整、答辯效果較好；三檔10—15分：有模型樣機、文檔較完整、答辯效果尚可；四檔6—10分：只有仿真模型、文檔及答辯效果一般；五檔6分以下：無仿真模型、或文檔及答辯效果差。

在使用現(xiàn)代工具方面，掌握相關(guān)仿真軟件，例如MATLAB或者ADAMS，熟練運用編程C語言。由線上慕課視頻自學(xué)ADAMS基本使用方法，課外安排上機指導(dǎo)，以提高學(xué)生解決工程問題能力為目標，虛擬仿真類分為原理賞析類、分析驗證類，并建立相關(guān)資源庫。利用ADAMS等軟件完成機構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)仿真分析。在擴展機構(gòu)運動參數(shù)測試實驗內(nèi)容，學(xué)生除完成構(gòu)件位移、速度及加速度等參數(shù)的測試外，需建立機構(gòu)的虛擬樣機模型，完成運動仿真分析，與實驗結(jié)構(gòu)進行對比。利用最熟悉的CAD軟件完成機構(gòu)的圖解法設(shè)計和分析，并建立機構(gòu)運動設(shè)計為主的習(xí)題庫。利用MATLAB完成凸輪輪廓曲線的設(shè)計等等。以2018級夏季班48人教學(xué)班為例，針對5個目標，每個目標平均分初步統(tǒng)計，每項目標的達成度，如圖3所示。

圖 3 課程目標達成度

圖3表明課程目標1、4相對較低，原因之一期末試卷教考分離，題庫出題，總體偏難；該年級學(xué)生相關(guān)軟件使用熟練程度及編程語言基礎(chǔ)薄弱，后續(xù)需加強。課程目標3達成度一般，表明學(xué)生查閱、標注文獻的能力有待加強。為使學(xué)生對課本內(nèi)容熟練掌握，虛擬仿真實驗部分需要提高，加強開展基于雨課堂混合式教學(xué)的課前課上課后三個環(huán)節(jié)的總結(jié)考核很有必要。

五、總結(jié)

機械原理課程在工程教育認證和新工科建設(shè)標準要求下，按OBE理念轉(zhuǎn)型升級，以學(xué)生學(xué)習(xí)目標、成效及需求為中心，對機械原理課程目標、混合式教學(xué)策略分析及教學(xué)評價等方面提出了改革的方法，提出了發(fā)現(xiàn)瓶頸、分享感悟、解決困惑的設(shè)計思路?；趦?yōu)質(zhì)慕課、雨課堂工具實現(xiàn)混合式教學(xué)是明確的教改方向，用雨課堂外推慕課，課內(nèi)翻轉(zhuǎn)課堂在線交互，可滿足多種不同的教學(xué)目標，能有效為其他機械專業(yè)課程改革提供了教改參考。課程建設(shè)是長期艱苦的任務(wù)，在建設(shè)過程中不斷總結(jié)和改善，能夠有效地推動學(xué)科建設(shè)。